液压凿岩机结构设计.docx

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液压凿岩机结构设计

摘要

在综合分析各类液压凿岩机冲击工作原理和轻型液压凿岩机各种结构的基础上，创新提出了轻型独立回转液压凿岩机的新构型，研制了YYT-30型轻型独立回转液压凿岩机。

该机型的问世，有望取代传统的支腿式气动凿岩机，成为我国中小矿山和一般工程施工中凿岩机械的主力机型。

该机技术性能先进，结构新颖，具有耗能少、体积小、重量轻、冲击能大、钻速快、噪声低、振动小，工人劳动强度低等优点，可广泛用于大理石，花岗岩，金属矿，非金属矿和煤矿等矿山开凿石，用于地质勘探坑探巷道掘进以及采石，水电，铁路，港口，基地，基建，国防工程中钻凿炮眼。

关键词：

液压凿岩机；独立回转；冲击能

Abstract

Afteranalyzingtheimpactingprincipleofallkindsofhydraulicrockdrillsandvariousstructuresofportablehydraulicrockdrill,anewstructureofportableindependentrotaryhydraulicrockdrill,YYT30portableindependentrotaryhydraulicrockdrill,isputforwardinthedissertation,andmadeinreality.Itwillbecomemainstyleinmediumandsmall-scaleminesandgeneralengineeringmachinesinourcountry,whichwillreplacetraditionalleggedpneumaticrockdrillhopefully.

Themachineofadvancedtechnology,thenewstructure,withlessenergyconsumption,smallsize,lightweight,theimpactenergy,fasterpenetrationrate,lownoise,vibrationsmall,workersadvantageoflowlaborintensity,canbewidelyusedinmarble,granite,metalOre,non-metallicmineralssuchascoalminesandcutstone.Explorationforgeologicalprospectingpitroadwayexcavationandquarrying,electricity,water,railways,ports,bases,infrastructure,nationaldefenseprojectsinthedrillingPerforation.

Keywords:

hydraulicrockdrills;portableindependentrotary;impactenergy

1绪论

1.1国内外液压凿岩机发展概况

1.1.1国外液压凿岩机发展概况

自1861年气动凿岩机开始应用以来，经过不断改进、完善，各类气动凿岩机在矿山、铁路、公路、水电、煤炭和建筑工程施工中发挥了巨大的作用。

进入20世纪以来，随着各类工程在岩石断面上掘进的工作量日益增加，生产效率要求越来越高，气动凿岩机的钻凿能力与生产发展需要之间的矛盾日益加剧。

生产的发展迫切要求用效率高、生产能力大的新型凿岩机来取代气动凿岩机。

1970年，法国蒙塔贝特（Montabert）公司首先研制成功第一代可用于生产的H50型液压凿岩机，开始在世界范围内应用液压凿岩设备。

由于液压凿岩机和气动凿岩机相比具有明显的优越性（表1.1），瑞典、英国、美国、德国、芬兰、奥地利、瑞士和日本等国陆续研制出各种型号的液压凿岩机，使液压凿岩机技术和生产在30多年间有了很大发展（表1.2）。

目前在国外，液压凿岩机已经成为导轨式凿岩机产品的主流。

90年代先进国家的岩石开挖工程采用的液压凿岩设备占凿岩设备总量的80%以上。

其中瑞典AtlasCopco、芬兰Tamrock、法国Secoma等公司的液压凿岩机及配套产品在世界上具有代表性。

前两者的液压凿岩设备销售量占世界销售总量的一半以上。

表1.1液压和气动凿岩机的比较

比较性能

气动凿岩机

液压凿岩机

能量利用率

10%

30-40%

噪声

液压凿岩机比气动凿岩机降低10-15dB（A）

排气油雾

有

无

凿岩效率

液压凿岩机比气动凿岩机提高1倍以上

主要零部件寿命

短

长

钎具消耗

多

少

工作介质

压缩空气

液压油、乳化液

介质压力，MPa

0．4-0．5

14-20

每米炮孔成本

1：

0．77

实现自动化的难易程度

困难

容易

使用维护

方便

较困难

表1.2液压凿岩机的发展进步

20世纪70年代

20世纪80年代

20世纪90年代

凿岩机型号

近40个

近100个

超过100个

年产量

接近2000台

10000台以上

20000台以上

凿岩机冲击功率,kW

10

20

40

目前国外的液压凿岩机正向重型、大功率和自动化方向发展。

超重型大功率液压凿岩机已能钻凿直径180-275毫米的炮孔，凿岩速度是牙轮或潜孔钻机的2-4倍，而能耗仅为潜孔钻机的1/4。

它可以完成自动移位和定位、自动开孔、自动防卡钎、自动凿岩、自动退钎等凿岩循环，并可遥控的全自动液压凿岩机械已较多应用于隧道开挖。

液压凿岩机器人技术和产品也在20世纪80年代开始开发。

日本东洋公司的AD系列、法国Montabert公司的Robofore系列、瑞典AtlasCopco公司的系列以及芬兰Tamrock公司的Datamatic系列凿岩机器人都已问世。

1.1.2国内液压凿岩机发展概况

我国从上世纪70年代开始研制液压凿岩机。

1973年11月制造出第一台YYG－80型液压凿岩机样机，后几经改进，于1980年9月在湘东钨矿通过了部级鉴定。

目前我国已有北京科技大学、中南工业大学、长沙矿冶研究院、煤炭科学研究院北京建井研究所、沈阳风动工具厂、天水风动工具厂和衢州煤矿机械厂等10多个单位研制的20多种型号的液压凿岩机通过了省部级鉴定。

为发展我国的液压凿岩机技术和产品，近十多年来，莲花山冶金机械厂、沈阳风动工具厂、天水风动工具厂、宣化风动工具厂、南京工程机械厂先后耗资1000万美圆从AtlasCopco和Secoma公司引进4种重型导轨式液压凿岩机制造技术。

但由于各方面原因，除莲花山冶金机械厂的HYD200和HYD300型液压凿岩机产品产量和质量比较稳定外，其余的产品均未形成批量能力，质量也有很大差距。

这远远不能满足我国工程部门需求。

近10年来，我国大型矿山及大型工程均采用了引进的大型液压钻车。

共从5个国家7个公司购进全液压凿岩设备近30个型号500多台套，重型液压凿岩机1200余台，耗资几十亿人民币。

我国一些单位也看到具体国情对轻型液压凿岩机的大量需求。

长沙矿冶研究院等十多家科研单位和企业曾经研制过多个型号的支腿式液压凿岩机，但大都没有成功。

其主要原因是：

1）这些产品大多不合理地采用了内回转结构，从结构设计上就不满足液压凿岩机高频率、大扭矩的需要；2）在材料选择和制造工艺方面仍受气动凿岩机的影响，达不到液压凿岩机的性能要求。

1.2液压冲击机构设计理论研究体系概况

液压冲击机构是液压凿岩机的关键部件，它主要由缸体、活塞、换向阀、蓄能器等主要部件和导向与密封装置等组成。

它的研究水平直接影响着液压凿岩机的设计制造和使用。

几十年来，人们对液压冲击机构的运动规律及控制理论作了不懈的探索和研究，对它的认识也逐步由低级阶段向高级阶段发展。

1.2.1蓄能器

蓄能器是液压凿岩机的重要部件，它的设计品质直接关系到冲击机构能否按设计要求运动。

因此，人们对蓄能器进行了大量的研究工作。

北京科技大学段晓宏等老师以集中参数为基础，建立了高压隔膜式蓄能器的动态模型，并用实验和计算两种方法分析了蓄能器的频率特性，在此基础上，进一步分析了蓄能器与液压凿岩机冲击机构的耦合特性，提出了在冲击机构结构和尺寸确定的情况下，蓄能器容积尺寸的选择计算方法和冲击机构工作时最优工作参数的计算方法。

中南大学何清华教授对液压冲击机构的回油和回油蓄能器进行全面研究，他指出：

液压凿岩机的工作油压主要取决于本身运动体的惯性力，这是它有别于工作油压主要取决于外部负载的一般液压机械的显著特点；液压凿岩机的回油背压主要是由于活塞或阀的控制腔向回油管排油时，随它们加速运动的油液所形成的惯性油压。

并指出由于冲击机构的排油流量与回油管中油液流动的流量变化步调不一致，当进入回油管的流量小于回油管中油液流动的流量时，就会产生空隙现象，为减小惯性回油压和消除回油空隙，在液压凿岩机上应设置回油蓄能器，并由此推出了回油蓄能器参数设计计算公式。

天津工程机械研究所冯建华高级工程师通过理论与实验研究，证明了在液压锤中设置蓄能器的必要性，介绍了一种设计蓄能器的简捷方法。

中南大学朱建新教授通过实验测定了液压碎石机的蓄能器实际工况，研究了蓄能器充气腔容积和充气压力的变化对液压碎石机性能的影响。

1.2.2配流阀（换向阀）

有阀型液压凿岩机冲击机构是一个具有位置反馈的阀控活塞随动系统。

配流阀对活塞的控制属于开关型控制，阀换向过程中的时间、位移、耗油量等都是影响冲击机构性能的重要因素。

北京科技大学刘万灵教授等在《液压凿岩机换向阀的动特性分析》一文中，通过理论分析和实测的手段，对换向阀进行了研究，得出了阀的实际运动轨迹，揭示了换向阀的运动规律，确定了换向阀影响液压凿岩机的主要参数。

中南大学齐任贤、刘世勋教授对换向阀控制过程进行了理论分析，同时对换向阀的造型设计和参数优化进行了研究，得出了一些有益的规律性结论：

如换向阀作高速运动时，由于回油阻力的影响，可能出现速度饱和现象。

解决该问题的有效方法是减小阀芯重量和行程，同时适当加大油道直径等。

1.2.3防空打和钎尾反弹理论

液压凿岩机在工作时不可避免地会出现“空打”和钎尾反弹现象，因此，钎尾反弹能量吸收装置和防空打缓冲装置的工作性能对液压凿岩机的使用寿命有着很大影响。

我国学者对此进行了卓有成效的研究。

葛洲坝水电工程学院孟遂民老师在理想线性模型的基础上，运用无量纲分析法，研究了活塞反弹速度对液压凿岩机冲击机构工作参数的影响。

湘潭工学院刘德顺教授应用波动力学理论，在分析冲击式凿岩原理的基础上，提出了凿岩机活塞回弹判据和回弹速度计算公式，并得出了如下结论：

活塞的回弹状态和回弹速度与活塞、钎杆及岩石的特性有关，它们的影响不是独立的，而是相互关联的；岩石的卸载刚度系数α越小，表征凿岩机具和岩石加载特性的系数γ越小，回弹速度越大；为获得较理想的凿岩效率，在设计凿岩机时，应将特征系数γ控制在1≤γ≤2范围内。

武汉化工学院廖义德老师把液压凿岩机防空打缓冲过程分为三个阶段，考虑了液压油的可压缩性、油液惯性、液压油粘度的变化以及活塞与缸体之间的偏心等因素，建立了各阶段的数学模型，依此编写了仿真程序，得到了与实验数据相一致的仿真结果。

中南大学液压工程机械研究所于80年代推出了二级防空打缓冲装置，该装置充分利用了钎尾反弹能量吸收装置的能力。

该校廖建勇博士对该装置进行了分析计算，指出二级防空打缓冲装置的设计问题实质上是两级吸收能量的分配问题，并提出了两级能量分配原则和二级防空打缓冲装置的设计方法。

2轻型独立回转液压凿岩机的总体结构

2.1液压凿岩机的基本结构

液压凿岩机主要由冲击机构、回转机构、供水排粉装置及防尘系统等部分组成，其凿岩作业是冲击、回转、推进与岩孔冲洗功能的综合。

目前各生产厂家的液压凿岩机结构都不尽相同，各有自己的特点。

如有带行程调节装置的，也有无此装置的；有采用中心供水的，也有采用旁侧供水的；缸体内有带缸套的也有无缸套的；为了防止深孔凿岩时钎杆卡在岩孔内拔不出来，国外有几种新型液压凿岩机在供水装置前面还设有反冲装置。

下面介绍液压凿岩机的一些基本结构：

（1）冲击机构

液压冲击机构由缸体、活塞、配流阀、蓄能器及前后支撑套与密封装置等组成，它是冲击作功的关键部件，它的性能直接决定了液压凿岩机整机的性能。

1）活塞

活塞是传递冲击能量的主要零件，其形状对破岩效果有较大影响。

由波动力学理论可知，活塞直径与钎尾直径越接近越好，且在总长度上直径变化越小越好。

通过对气动和液压凿岩机两种活塞的效果比较发现，液压凿岩机的活塞只比气动凿岩机的活塞重19％，可是输出功率却提高了一倍，而钎杆内的应力峰值则减小了20％。

因此，双面回油型液压凿岩机的活塞断面变化最小，且细长，是最理想的活塞形状。

2）配流阀

液压凿岩机的配流阀有多种形式，概括起来有套阀和芯阀两大类，芯阀按形状又可分为柱状阀和筒状阀。

套阀只有一个零件，结构简单，其结构受活塞的制约，只能制成三通阀。

而芯阀是一个部件，由多个零件组成，结构较为复杂，可制成三通或四通阀。

三通阀适用于单面回油的机型，而双面回油型液压凿岩机则必须采用四通阀。

3）蓄能器

液压冲击机构的活塞只在冲程时才对钎尾作功，而回程时不对外作功，为了充分利用回程能量，需配备高压蓄能器储存回程能量，并利用它提供冲程时所需

的峰值流量，以减小液压泵的排量。

此外，由于阀芯高频换向引起压力冲击和流量脉动，也需配置蓄能器，以保证机器工作的可靠性，提高各部件的寿命。

目前，国内外各种有阀型液压凿岩机都配有一个或二个高压蓄能器，有的液压凿岩机为了减少回油的脉动，还设有回油蓄能器。

因液压凿岩机的冲击频率高，故都采用反应灵敏、动作快的隔膜式蓄能器。

4）缸体

缸体是液压凿岩机的主要零件，体积和重量都较大，结构复杂，孔道和油槽多，要求加工精度高。

为解决此问题，各型液压凿岩机采取了不同的办法。

有的加前后缸套，以利于油路和沉割槽的加工，且维修时便于更换；有的不加衬套，为便于加工，把缸体分为几段；而轻型液压凿岩机大多采用整体式缸体。

5）活塞导向套

活塞的前后两端都有导向套支承，其结构有整体式和复合式两种。

前者加工简单，后者性能优良。

目前国内多采用整体式，少数采用复合式。

（2）回转机构

回转机构主要用于转动钎具和接卸钎杆。

在液压凿岩机中，因输出扭矩较大，所以主要采用独立外回转机构，该机构由液压马达驱动一套齿轮装置并带动钎尾作独立的回转运动。

因摆线液压马达体积小、扭矩大、效率高，故液压凿岩机回转机构普遍采用这种马达。

（3）供水装置

液压凿岩机大都采用压力水作为冲洗介质，其供水装置的作用就是供给冲洗水以排除岩孔内的岩碴，它有中心供水式和旁侧供水式两种。

中心供水式装置与一般气动凿岩机中心供水方式相同，压力水从凿岩机后部的注水孔通过水针从活塞中间孔穿过，进入前部钎尾来冲洗钻孔。

这种供水方式的优点是结构紧凑，机头部分体积小，但密封比较困难。

旁侧供水装置是液压凿岩机广泛采用的结构。

冲洗水通过凿岩机前部的供水套进入钎尾的进水孔去冲洗钻孔。

这种供水方式由于水路短，易于实现密封，且即使发生漏水也不会影响凿岩机内部的正常润滑，其缺点是机头部分增加了长度。

2.2液压凿岩机冲击机构的结构类型分析

2.2.1液压凿岩机的基本结构类型

液压凿岩机按其冲击机构配油方式的不同可分为两大类：

有阀型和无阀型。

前者按阀的结构可分为套阀式和芯阀式；按回油方式又有单面回油和双面回油两种；单面回油又分为前腔回油和后腔回油两种。

其分类关系及相应代表型号见表2．1。

表2.1液压凿岩机分类

类型

有阀型

无阀型

回油方式

单面回油

双面回油

双面回油

后腔回油

前腔回油

活塞运动

三通阀控差动

三通阀控差动

四通阀控

活塞自配油

阀的结构

套阀

芯阀

套阀

芯阀

芯阀

无

典

型

产

品

国

外

Tamrock公司的HE、HL系列、Montabert公司的H系列、古河株式会社的HD系列、SIG公司的HMB系列

Secoma公司的Hydrastar系列、alzgitte公司的HH系列、G.D公司的HPR系列、Tension公司的RD系列

Alimak公司的AD系列

Secoma公司的RPH35

AtlasCopco公司的COP系列

Ingersoll-

Rand公司的HARD-Ⅲ、Joy公司的JH-2、Cannon公司的CH-

25、CH-32、CH-38

国内

TTYYG-20

YYG-250B

YYG-90A

YYG-80系列

2.2.2液压凿岩机的冲击工作原理

液压凿岩机以液压流体作为传递能量的介质，其冲击工作原理主要是由冲击机构的配油方式决定的。

（1）前腔回油后腔常压型液压凿岩机冲击工作原理

此型液压凿岩机是通过改变前腔的供油和回油来实现活塞的往复运动的，有套阀式和芯阀式两种。

图2.1所示为套阀式的冲击工作原理。

当套阀处于左端位置时，高压油进入活塞前腔A，由于活塞前腔受压面积大于后腔受压面积，活塞前端作用力远大于后端作用力，故活塞开始作回程运动（图2.1a）。

当活塞回程到一定位置时，使推阀腔C与后腔B切断，与回油腔D连通，推阀腔B的油压急剧下降，于是套阀作回程换向并向右快速运动，关闭活塞前腔的压油口，开启回油口，活塞前端作用力急剧减小使活塞处于制动运行状态（图2.1b）。

当活塞回程速度为零即到达回程终点时，活塞在后端作用力的作用下开始作冲程运动（图2.1c）。

当活塞在冲程中离冲击点还有一定距离时，推阀腔C与压油腔B相通，套阀进行冲程换向，在此过程中，活塞高速冲击钎尾（图2.1d）。

与此同时，冲程换向完毕，活塞前腔进入高压油，又开始作下一次循环的回程运动。

图2.1前腔回油后腔常压型液压凿岩机型冲击工作原理

a）回程b）回程换向c）冲程d）冲程换向

1——缸体2——活塞3——套阀4——蓄能器

A——前腔B——后腔C——推阀腔D——回油腔

（2）后腔回油前腔常压型液压凿岩机冲击工作原理

此型液压凿岩机是通过改变后腔的供油和回油来实现活塞的冲击往复运动的，也有套阀式和芯阀式两种，其套阀式液压凿岩机冲击工作原理如图2.2所示。

当套阀4处于右端位置时，缸体后腔与回油相通，于是活塞2在缸体前腔高压油的作用下，向右作回程加速运动（图2.2a）。

当活塞超过回程换向信号孔位A时，配流阀右端推阀面与高压油相通，因该面积大于阀左端的面积，所以配流阀向左运动进行回程换向，高压油通过机体内部孔道与活塞后腔相通，活塞向右作减速运动，后腔的油一部分进入蓄能器3，一部分从机体内部通道流入前腔，直至回程终点（图2.2b）。

由于活塞台肩后端面大于活塞台肩前端面，因此活塞后端面作用力远大于前端面作用力，活塞向左作冲程加速运动（2.2c）。

当活塞越过冲程信号孔位B时，配流阀右端推阀面与回油相通，配流阀进行冲程换向（2.2d），为活塞回程作好准备，与此同时活塞冲击钎尾作功，完成一个工作循环。

（3）双面回油型液压凿岩机冲击工作原理

此类液压凿岩机都为四通芯阀式结构，采用前后腔交替回油，其冲击工作原理如图2.3所示。

在冲程开始阶段（图2.3a），阀芯2位于左端，活塞4位于右端，高压油经油路进入缸体后腔，推动活塞向左作加速运动。

活塞向左运动到预定位置，打开冲程换向信号孔口B，高压油经推阀油路作用在阀芯的左推阀面，推动阀芯向右运动进行冲程换向（图2.3b），配流阀右端腔室中的油经推阀油路进入活塞中间腔，再经回油通道返回油箱，为回程运动作好准备，与此同时，活塞打击钎尾。

在完成冲程运动的瞬时，活塞即刻进入回程运动（图2.3c），高压油经进油路进入缸体前腔，推动活塞向右作加速运动。

活塞向右运动打开回程换向信号孔口A时，高压油经推阀油路作用在阀芯的右端面，推动阀芯回程换向（图2.3d），阀左端腔室中的油经推阀油路、活塞中间腔和回油通道返回油箱，阀芯运动到左端，为下一循环作好准备。

图2.3双面回油型液压凿岩机冲击工作原理

（a）冲程加速（b）冲程换向（c）回程加速（d）回程换向

1——蓄能器2——配流阀3——缸体4——活塞

（4）无阀型液压凿岩机冲击工作原理

该型液压凿岩机没有专门的配流阀，而是一种利用活塞运动位置变化自行配油的无阀结构。

其特点是利用油的微量可压缩性，以较大容积的工作腔（活塞的前腔和后腔）和压油腔形成液体弹簧作用，在活塞往复运动时产生压缩储能和膨胀作功。

其冲击工作过程如图2.4所示。

图2.4a表示无阀型液压凿岩机回程开始的情况，这时活塞前腔与高压油相通，后腔与回油相通，于是活塞向右作回程加速运动。

当活塞回程运动到图2.4b的位置时，活塞的前腔和后腔均处于封闭状态，形成液体弹簧。

由于活塞的惯性以及前腔高压油的膨胀，使活塞继续作回程运动，这时活塞后腔的油液被压缩储能，压力逐渐升高，直到活塞回程使前腔与回油相通，后腔与高压油相通，即活塞到达如图2.4c的位置时，活塞开始向左作冲程运动。

活塞运动到一定位置，其前后腔又处于封闭状态，形成液体弹簧，活塞冲击钎尾作功。

同时活塞的前腔与高压油相通，后腔与回油相通，又为活塞回程运动作好准备，如此不断往复循环。

（a）回程（b）前腔膨胀，后腔压缩储能（c）冲程

1——活塞2——前腔3——缸体4——压油腔5——后腔

无阀型液压凿岩机的特点是：

只有一个运动件，结构简单；由于利用油液的微量可压缩性，所以工作腔和压油腔容积较大，致使机器尺寸和重量均较大；为了不使工作腔容积过大，就得限制每次的冲击排量，使活塞运动行程减小，冲击能减小，在这种情况下要达到一定的输出功率，只得提高冲击频率。

但对凿岩作业来说，确定冲击频率的条件是一次冲击所产生的应力波不致与前一次冲击所产生的应力波重叠并累积起来，所以过高的冲击频率也未必有利。

由于存在上述不足，故尚未见到无阀型液压凿岩机在凿岩作业中推广应用。

2.2.3有阀型液压凿岩机冲击机构的结构分析

前腔回油后腔常压型、后腔回油前腔常压型和双面回油型液压冲击机构由于配油方式的不同而具有各自的特点：

1）活塞回程制动阶段的吸空问题

在活塞回程制动阶段，前腔常压型冲击机构从原理上不会产生前腔的吸空问题，而后腔常压型和双面回油型冲击机构则必然会产生前腔的吸空现象，这对活塞、缸体及回油管都是有害的。

对于相同规格的液压冲击机构而然，双面回油型的前腔受压面积比较小，因而空穴现象的危害程度也较小，而后腔常压型的前腔面积比双面回油型的前腔面积大得多，因而空穴现象的危害程度也大得多。

2）活塞冲程阶段的前腔油液流动阻力问题

在冲程阶段，前腔常压型的前腔油液要被压到后腔，因而产生一定的阻力，但因其前腔受压面积较小，所以阻力也较小。

而双面回油型和后腔常压型的前腔是接通回油的，此时会产生回油阻力。

双面回油型的前腔面积小，因而回油阻力小，而后腔常压型的前腔面积大得多，因而回油阻力也大得多。

3）配油阀的耗油量和工艺性

前腔常压型与后腔常压型是利用了差动活塞的原理，所以只需采用三通阀，而双面回油型则必须采用四通阀。

三通阀的典型结构是三槽二台肩，四通滑阀的典型结构是五槽三台肩，三通阀比四通阀少一个台肩，因而可以做得比较短，可以减轻阀芯重量，节省阀芯运动时的耗油量。

三通阀只有三个关键尺寸和一条通向油缸的孔道，结构简单，工艺性好，而四通阀则有五个关键尺寸和二条通向油缸的孔道，结构复杂，工艺性差。

相应的双面回油型的油缸缸体结构也比较